熱采鍋爐能量利用新分析

代金陽，褚福巒，郭占軍，謝新德

中油遼河油田公司錦州采油廠，遼寧 盤錦 124010

1.概述

熱力學是研究能量轉換的科學。用熱力學原理去認識能量、了解能量，以及在生產實踐中指導人們合理的使用能量、節約能量是近代熱力學一項非常重要的工作。在遼河油田生產過程中，產出的原油有2/3是稠油、超稠油和高凝油，其能耗是一般原油的兩到三倍。錦州采油廠所轄地下油層比較薄，油層的埋藏深度深，分布不連續，受到現階段采油技術水平的限制，熱力開采仍然作為當前原油開采的重要手段。注蒸汽采油的主要設備是注汽鍋爐（濕蒸汽發生器），它的效率的高低直接影響著注汽采油的經濟效益，因而了解造成鍋爐能量損耗和損失的原因、能量損耗和損失的分布，對用能情況進行深入的討論分析，不僅能夠提高能量利用率，還能更合理地利用能量。

在注汽生產過程，我們常常用熱力學第一定律分析法來分析鍋爐的用能好壞與節能潛力，熱效率越高說明節能潛力越大。它雖然簡單直觀，容易理解和掌握，運用得當對節能工作能起到重要作用，但由于它所依據的僅是能量數量上的守恒性，在挖掘節能潛力時有較大的局限性和不合理性，帶有很大的片面性。現代節能原理是同時依據熱力學第一、第二定律，并通過直觀實用的方式，來體現能的全面本性，由此建立的節能理論和方法，稱為第二定律分析法。這種方法有兩大類：熵分析法和火用分析法。由于熵分析法比較抽象，不能評價能量的使用價值，且本身也不是一種能量，現在已被火用分析法取代。

火用分析法認為：能量=火用+火無

火用主要是針對熱量提出的，即熱量中最大能轉化為功的部分。采用火用分析法，能從本質上找出能量損失，能更完善、更具體的衡量設備或熱力系統的熱力學完善度，為節能提供目標和對策。以熱力學第一和第二定律為基礎，用于確定過程火用的利用率。火用的利用率定義為過程期望的火用Exn與實現期望所消耗的火用Exa之比。

2.熱采鍋爐的熱力學分析

注汽鍋爐是一種強制循環的直流鍋爐，主要包括燃燒系統、輻射段、對流段、水－水換熱器和煙囪。它將油的化學能轉化成蒸汽的熱能，由于各種原因，燃料在鍋爐里不會完全燃燒，燃料放出的熱量也只有一部分被工質吸收，還有一部分隨鍋爐爐渣、煙氣排放到環境中，盡量減少損失熱是提高鍋爐效率的有效措施。以34#鍋爐控制系統為例，流程圖見圖2-1。

圖2-1 鍋爐水汽流程示意圖

2.1 鍋爐的熱平衡方程

熱注作業一區某鍋爐的熱平衡方程式如下

式中，Qr為燃料供給熱；Q1為有效利用熱；Q2為排煙熱損失；Q3為化學不完全燃燒熱損失；Q4為機械不完全燃燒熱損失；Q5為散熱損失；Q6為灰渣物理損失。

2.2 鍋爐的熱效率

鍋爐的熱效率分為正平衡熱效率、反平衡熱效率。

(1)正平衡熱效率

通過測量數據求得Qr、Q1所得的熱效率稱為正平衡熱效率，它反映了有效熱占鍋爐總吸熱量的百分比：η=q1=Q1/Qr×100%

(2)反平衡熱效率

正平衡法只能給出鍋爐的熱效率，不能給出各項熱損失，因而找不到節能的途徑，就需要求出鍋爐的反平衡熱效率：η=Q1/Qr=[1-(q2+q3+q4+q5+q6)]×100%

2.3 鍋爐的熱量分析

對該鍋爐的爐膛出口煙氣分析結果如表2-1所示。

表2-1 爐膛出口煙氣分析結果

對鍋爐的排煙氣體成分分析結果如表2-2所示。

表2-2 排煙中氣體分析成分

燃料成分見表2-3。

表2-3 燃料成分測定值

燃油的品質為遼河石化渣油,其低位發熱量為Qydw=42874kJ/kg

2.4 鍋爐的熱量分析結果

表2-4 鍋爐的熱量分析結果

2.5 鍋爐的火用分析結果

表2-5 鍋爐的火用分析結果

2.6 兩種熱力學分析法的比較與探討，從表2-4和2-5我們知道：

（1）對于排煙損失，兩種計算方法結果相差較大，根據熱平衡的觀點，排煙帶走大量的熱，產生了較大的熱損失。從火用平衡的角度，排煙帶走的這部分量雖然很大，但質量比較低。對目前的鍋爐而言，噴油嘴改燒高粘度渣油時霧化和燃燒效果差、爐子換熱面積灰較為嚴重。

（2）兩種平衡方法都顯示，熱采鍋爐的外部損失主要還是排煙損失。

3.結語

1）通過對鍋爐的熱力學分析,鍋爐的熱效率為81%左右,而火用效率還不到40%,影響火用效率的關鍵因素是燃燒過程的火用損失和傳熱火用損失,從節能的角度來看,應該致力于改善鍋爐的性能。

2）燃燒過程的火用損失是燃料氧化燃燒發生不可逆化學反應過程引起的，它主要受熱力學平均溫度和理論燃燒溫度的影響。提高燃料和空氣的入爐溫度可以使鍋爐的熱力學平均溫度升高，利用其輸出的線性模擬量信號與自動控制裝置配合使用，反饋調節調節燃燒過程，使過量空氣系數處于最佳值。

[1]張德義.建設節約型煉油工業.進一步搞好節能降耗.煉油技術與工程，2006，36(1)：1～5.

[2]宋豐來.火用效率-分析和評價煉油廠加熱爐優劣的主要指標.石油化工設備技術，2000，(5)：29～31.

[3]尹朝亮.余熱鍋爐省煤器技術改造[J].化工技術經濟，2005，21(1)：47～49.